В конце 1936 г. под руководством инженера Климова был разработан двигатель М-100А мощностью 860 л.с. Мотор весил 480 кг, всего на 5 кг тяжелее М-100, но развивал мощность на 110 л.с. больше. Двигатель М-100А работал на бензине с октановым число 85, в то время как М-100 удовлетворялся бензином с октановым числом 80. Первый СБ с моторами М-100А был собранном заводом в Филях. Машина на высоте 4000 м развила максимальную скорость 423 км/ч , на 42 км/ч больше. чем СБ с двигателями М-100. В конструкцию самого самолета также внесли ряд изменений, направленных на устранение выявленных у СБ-2-М-100 дефектов. В результате масса самолета выросла с 5628 кг до 5732 кг. На СБ-2-М-100А, начиная с лета 1938 г., стали монтировать четыре протектированных топливных бака суммарной емкостью 1670 л.
Боекомплект каждого из двух носовых ШКАСов состоял из 860 патронов. Сектор обстрела носовых пулеметов по горизонтали составлял +/- 20 градусов от продольной оси самолета, по вертикали – от -50 градусов до +30 градусов. На задней турели ТУ Р- 9 стоял один LLIKAC с боекомплектом 1000 патронов, нижний пулемет имел боекомплект из 500 патронов.
Существовал еще ряд отличий между СБ-2-М-100 и СБ-2-М-100А. Так, в носовой части фюзеляжа самолетов с моторами М- 100А появилось отверстие для выброса пулеметных гильз. На переплетах фонарей части СБ-2-М-100А ставили зеркала заднего вида. Также некоторое количество бомбардировщиков получило радиокомпасы РПК-2. Самолеты постройки завода № 125 имени Сталина в Иркутске были оснащены более длинными втулками винтов, чем самолеты постройки завода № 22. Серийный выпуск бомбардировщиков СБ-2-М-100А начался в Москве и Иркутске в начале 1937 г. Самолеты данной модификации поставлялись Испании и Китаю.
СБ-2 с мотором М-100А (46/ВК-069) на стоянке аэродрома Барахас, где 24-я группа капитулировала перед националистами 30 марта 1939 г. Регистрационный номер на борту фюзеляжа написан черной краской, тактический номер на киле – краской белого цвета. На руль направления нанесены полосы цвета флага республиканцев – красная, желтая и фиолетовая.
Перед кабиной стрелка на фюзеляже смонтирован прозрачный козырек, СБ-2 с моторами М-100А (34/ВК-077). Козырьки ставили испанцы самостоятельно, без санкции разработчика. Эта «Катюшка» ранее состояла на вооружении 24-й группы – на переплете фонаря кабины пилота видно зеркало заднего обзора. Префикс «ВК» обозначает Bombardero Katiuska, бомбардировщик «Катюшка».